Структура турбине са аксијалним протоком
Турбина је ротациона машина која претвара енталпију радног флуида у механичку енергију. То је једна од главних компоненти авионских мотора, гасних турбина и парних турбина. Конверзија енергије између турбина и компресора и протока ваздуха је супротна у поступку. Компресор троши механичку енергију када ради, а проток ваздуха добија механичку енергију када протиче кроз компресор, а притисак и енталпија се повећавају. Када турбина ради, рад вратила излази из вратила турбине. Део рада вратила се користи за превазилажење трења на лежајевима и погон прибора, а остатак апсорбује компресор.
Овде се разматрају само турбине са аксијалним протоком. Турбина у гаснотурбинском мотору се обично састоји од више степени, али се статор (прстен млазнице или вођица) налази испред ротирајућег радног кола. Канал лопатица степена турбинског елемента је конвергентан, а гас високе температуре и високог притиска из коморе за сагоревање се у њему шири и убрзава, док турбина врши механички рад.
Карактеристике преноса топлоте спољне површине лопатице турбине
Коефицијент конвективног преноса топлоте између гаса и површине лопатице се израчунава коришћењем Њутнове формуле за хлађење.
За површину притиска и усисну површину, коефицијент конвективног преноса топлоте је највећи на предњој ивици лопатице. Како се ламинарни гранични слој постепено згушњава, коефицијент конвективног преноса топлоте постепено опада; на прелазној тачки, коефицијент конвективног преноса топлоте нагло се повећава; након преласка на турбулентни гранични слој, како се вискозни доњи слој постепено згушњава, коефицијент конвективног преноса топлоте постепено опада. За усисну површину, раздвајање протока које се може појавити у задњем делу ће проузроковати благо повећање коефицијента конвективног преноса топлоте.
Схоцк Цоолинг
Ударно хлађење је коришћење једног или више млазница хладног ваздуха за удар на врућу површину, формирајући снажан конвекцијски пренос топлоте у подручју удара. Карактеристика ударног хлађења је да постоји висок коефицијент преноса топлоте на површини зида стагнационог подручја где струјање хладног ваздуха утиче, па се овај метод хлађења може користити за примену фокусираног хлађења на површину.
Ударно хлађење унутрашње површине предње ивице лопатице турбине је хлађење ограниченог простора, а млаз (проток хладног ваздуха) се не може слободно мешати са околним ваздухом. У наставку је представљено ударно хлађење равне мете са једном рупом, што је основа за проучавање утицаја ударног тока и преноса топлоте.
Проток мете у вертикалној ударној равни са једном рупом приказан је на горњој слици. Раван циљ је довољно велик и нема ротацију, а на површини нема друге течности са попречним током. Када растојање између млазнице и циљне површине није веома близу, део излазног млазног отвора може се сматрати слободним млазом, односно пресек језгра (Ⅰ) и основни део (Ⅱ) на слици. Када се млаз приближи циљној површини, спољна гранична линија млаза почиње да се мења из праве у кривину, а млаз улази у зону окретања (Ⅲ), која се такође назива зона стагнације. У зони стагнације, млаз завршава прелаз са струјања управног на циљну површину у ток паралелан са циљном површином. Након што млаз заврши заокрет од 90 степени, улази у зону млаза зида (ИВ) следеће секције. У зони зидног млаза, течност тече паралелно са циљном површином, а њена спољна граница остаје права линија. Близу зида је изузетно танак ламинарни гранични слој. Млаз носи велику количину хладног ваздуха, а брзина доласка је веома велика. Турбуленција у зони стагнације је такође веома велика, па је коефицијент преноса топлоте ударног хлађења веома висок.
Конвекцијско хлађење
Радијални директни канал за хлађење унутар сечива
Ваздух за хлађење струји директно кроз унутрашњу шупљину водеће лопатице у радијалном смеру, апсорбујући топлоту кроз конвекцијски пренос топлоте како би се смањила температура тела лопатице. Међутим, под условом одређене запремине расхладног ваздуха, конвекцијски коефицијент преноса топлоте ове методе је низак и ефекат хлађења је ограничен.
(2) Више канала за хлађење унутар сечива (дизајн са више шупљина)
Дизајн са више шупљина не само да повећава коефицијент конвективног преноса топлоте између хладног ваздуха и унутрашње површине лопатице турбине, већ и повећава укупну површину размене топлоте, повећава унутрашњи проток и време размене топлоте и има високу количину хладног ваздуха. степен искоришћења. Ефекат хлађења се може побољшати разумном дистрибуцијом тока хладног ваздуха. Наравно, дизајн са више шупљина има и недостатке. Због велике удаљености циркулације ваздуха за хлађење, мале површине циркулације и вишеструких обртаја протока ваздуха, отпор протока ће се повећати. Ова сложена структура такође повећава потешкоће у процесу обраде и повећава трошкове.
(3) Ребраста структура побољшава конвективни пренос топлоте и хлађење стуба спојлера
Свако ребро у структури ребара делује као елемент ометања протока, узрокујући да се течност одвоји од граничног слоја и формира вртлоге различите јачине и величине. Ови вртлози мењају структуру протока течности, а процес преноса топлоте је значајно побољшан кроз повећање турбуленције флуида у области близу зида и периодичне размене масе између великих вртлога и главног тока.
Хлађење стуба спојлера је да има више редова цилиндричних ребара распоређених на одређени начин унутар унутрашњег канала за хлађење. Ова цилиндрична ребра не само да повећавају површину размене топлоте, већ и повећавају међусобно мешање хладног ваздуха у различитим областима због поремећаја протока, што може значајно повећати ефекат преноса топлоте.
Филм Цоолинг
Хлађење ваздушним филмом је да издува хладан ваздух из рупа или празнина на врућој површини и формира слој хладног ваздушног филма на врућој површини да блокира загревање чврстог зида врућим гасом. Пошто филм хладног ваздуха блокира контакт између главног тока ваздуха и радне површине, постиже се сврха топлотне изолације и превенције корозије, па се у неким литературама овај начин хлађења назива и баријерно хлађење.
Млазнице филмског хлађења су обично округле рупе или редови округлих рупа, а понекад се праве у дводимензионалне прорезе. У стварним расхладним структурама, обично постоји одређени угао између млазнице и површине која се хлади.
Велики број студија о цилиндричним рупама 1990-их је показао да ће однос дувања (однос густог тока млаза према главном току) значајно утицати на ефекат хлађења адијабатског филма једног реда цилиндричних рупа. Након што млаз хладног ваздуха уђе у подручје високог тока гаса, формираће пар вртложних парова који се окрећу напред и назад, такође познати као вртложни пар у облику бубрега. Када је ваздух који дува релативно висок, поред вртлога напред, одлив ће такође формирати вртлоге који се окрећу супротно. Овај обрнути вртлог ће заробити високотемпературни гас у главном току и довести га до задње ивице пролаза лопатице, чиме се смањује ефекат хлађења филма.
